JP3692076B2 - ＳｉＣ単結晶およびその成長方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、半導体電子部品に適したＳｉＣ単結晶およびその成長方法、特に、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶およびその成長方法に関するものである。
背景技術
近年、炭化珪素（ＳｉＣ）あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）等の軽元素で構成される化合物半導体の研究が盛んである。かかる化合物半導体は、軽元素で構成されているため結合エネルギーが強く、その結果、エネルギーの禁制帯幅（バンドギャップ）、絶縁破壊電界、熱伝導度が大きいことが特徴である。そして、特にＳｉＣは、このワイドバンドギャップの特徴を活かして、高効率・高耐圧パワーデバイス、高周波パワーデバイス、高温動作デバイス、あるいは青色から紫外発光デバイス用の材料として注目を集めている。しかしながら、結合エネルギーが強いため、ＳｉＣの化合物は、大気圧では高温にしても融解せず、シリコン（Ｓｉ）など他の半導体で用いられる融液の再結晶化によるバルク結晶の育成が困難である。
バルク状のＳｉＣ単結晶を成長させる方法としては、特公昭第５９−４８７９２号公報や特開平２−３０６９９号公報に掲載されたいわゆる改良型レーリー法が知られている。この改良型レーリー法は、黒鉛製のるつぼにＳｉＣ単結晶からなる種結晶を設置し、さらに減圧雰囲気下で原料ＳｉＣ粉末を昇華させて、種結晶上に目的規模のＳｉＣ単結晶を再結晶させるものである。
この改良型レーリー法をはじめとするいわゆる昇華法においては、その種結晶として、主として｛０００１｝面を露出させたＳｉＣ単結晶基板が使用されている。しかしながら、面方位が｛０００１｝であるＳｉＣ単結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合、マイクロパイプという＜０００１＞軸方向に延びる欠陥が単結晶の表面に到達するため、このＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、リーク電流等が発生する場合があった。
このマイクロパイプに関する問題を解消するための技術として、タイプ特許第２８０４８６０号公報に掲載されたＳｉＣ単結晶の成長方法が知られている。この方法は、種結晶として｛０００１｝面より６０°〜１２０°の角度αだけずれた結晶面を露出させたＳｉＣ単結晶を使用するものであり、より好ましくは、｛１−１００｝面や｛１１−２０｝面を露出させたＳｉＣ単結晶を使用するものである。このような種結晶を使用すれば、単結晶の表面に到達するマイクロパイプを減少させることができる。
発明の開示
しかしながら、特許第２８０４８６０号公報に掲載されたＳｉＣ単結晶の成長方法には、次のような問題があった。すなわち、同公報に記載された発明の発明者らがフィジカステイタスソリッド（ｂ）（２０２号１６３頁〜１７５頁１９９７年）において述べているように、｛１−１００｝面あるいは｛１１−２０｝面が露出したＳｉＣ単結晶を種結晶として使用する場合は、結晶多形の制御ができ、マイクロパイプの表面への到達を抑制できるものの、高密度の積層欠陥（スタッキングフォールト）がＳｉＣ単結晶の表面に露出するという問題があった。この積層欠陥は、結晶を成長させる際に面状に広がるものであり、かかる積層欠陥が表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、マイクロパイプが表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いる場合と同様に、リーク電流等が発生するおそれがある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、表面に露出するマイクロパイプおよび積層欠陥が低減されたＳｉＣ単結晶およびその成長方法を提供することを目的とする。
本発明は、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させる方法であって、｛０３−３８｝面、または｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾いた面、を露出させたＳｉＣ単結晶からなる種結晶上に、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする。
本発明に係るＳｉＣ単結晶の成長方法において、例えば｛０３−３８｝面を露出させた種結晶を用いれば、当該種結晶の露出面はマイクロパイプが延びる＜０００１＞方向に対して約３５°の傾きを有することになる。このため、このような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、マイクロパイプは当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面にマイクロパイプが到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面（｛０３−３８｝面）は、積層欠陥が広がる面、すなわち＜００１＞方向と垂直な面に対して約５５°の傾きを有するため、このような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、積層欠陥は当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面に積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面を｛０３−３８｝面とせず、この｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾けた面としても、同様に、成長させられたＳｉＣ単結晶の表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。
また、オフ角αは、５°以内であることが好ましい。さらに、オフ角αは、３°以内であることが好ましい。すなわち、種結晶の表面が｛０３−３８｝面に近くなるほど、表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が到達する事態を確実に抑制することができる。
また、化学気相堆積法によって、種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてもよい。
また、本発明に係る他のＳｉＣ単結晶の成長方法は、黒鉛製の坩堝内でＳｉＣ原料粉末を昇華させて、坩堝内に設置された種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を再結晶させるＳｉＣ単結晶の成長方法において、種結晶として、｛０３−３８｝面、または｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾いた面、を露出させたＳｉＣ単結晶を用いることを特徴とする。
このようなＳｉＣ単結晶の成長方法によれば、黒鉛製の坩堝内に設置する種結晶の露出面を例えば｛０３−３８｝面とすれば、当該種結晶の露出面はマイクロパイプが延びる＜０００１＞方向に対して約３５°の傾きを有することになる。このため、ＳｉＣ原料粉末を昇華させてこのような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、マイクロパイプは当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面にマイクロパイプが到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面（｛０３−３８｝面）は、積層欠陥が広がる面、すなわち＜０００１＞方向と垂直な面に対して約５５°の傾きを有するため、このような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、積層欠陥は当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面に積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面を｛０３−３８｝面とせず、この｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾けた面としても、同様に、成長させられたＳｉＣ単結晶の表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置を示す断面図である。
図２は、ＳｉＣ単結晶の（０３−３８）面を説明するために用いた図である。
図３は、ＳｉＣ単結晶内のマイクロパイプおよび積層欠陥の状態を示す図である。
図４は、表面が｛０３−３８｝面からオフ角αだけ傾いた種結晶を示す図である。
図５は、ＳｉＣ単結晶を用いて作製した高耐圧ダイオードを示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して、本発明に係るＳｉＣ単結晶およびその成長方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。また、実施形態および実施例の説明で結晶の格子方向および格子面を使用する場合があるが、ここで、格子方向および格子面の記号の説明をしておく。個別方位は［］、集合方位は＜＞、個別面は（）、集合面は｛｝でそれぞれ示すことにする。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、明細書作成の都合上、数字の前に負号を付けることにする。
図１は、本実施形態のＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置２を示す断面図である。結晶成長装置２は、主として、内部でＳｉＣ単結晶を成長させる黒鉛製の坩堝４と、坩堝４の熱が外部へ放射されるのを防止する熱シールド部材６と、この熱シールド部材６を包囲する水冷式の反応管８と、反応管８の周囲に巻回されるとともに坩堝４を加熱するための高周波コイル１０と、から構成されている。また、反応管８の頂上部には、アルゴンガスなどの不活性ガスを導入するためのガス導入管１２が介挿され、反応管８の底部には、不活性ガスを外部に排出するためのガス排出管１４が介挿されている。
坩堝４は、有底円筒形状をなしてＳｉＣ多結晶からなる原料１５を収容する収容部１６と、この収容部１６の上部開口を封止する蓋部１８と、蓋部１８に取り付けられるとともに種結晶３０が底面に固定された種結晶配置部２０と、を有する。ここで、本実施形態では、種結晶３０として、｛０３−３８｝面が露出した４Ｈ型ポリタイプ（“Ｈ”は六方晶系、“４”は原子積層が４層で一周期となる結晶構造を意味する）のＳｉＣ単結晶を用いる。
続いて、図２を参照して、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の（０３−３８）面について説明する。同図に示すように、（０３−３８）面は、［０００１］方向に対して約３５°（３５．２６°）の傾きを有し、［０００１］方向と垂直な面に対して約５５°（５４．７４°）の傾きを有している。
次に、図１〜図４を参照して、ＳｉＣ単結晶の成長方法を説明する。
原料１５および種結晶３０を収容した坩堝４を反応管８内に設置した後、反応管８内を約１時間ほど真空排気し、次に、ガス導入管１２より不活性ガスを導入して反応管８内を常圧（７６０Ｔｏｒｒ）にする。そして、再び反応管８内を約１０分ほど真空排気した後、ガス導入管１２より不活性ガスを導入して反応管８内を再度常圧（７６０Ｔｏｒｒ）にする。
以上の作業が終了した後、高周波コイル１０によって坩堝４を加熱し始める。この際、坩堝４の温度を約２０００℃にするとともに、種結晶３０の温度が原料１５の温度よりも約５０℃だけ低くなるように温度勾配をつける。同時に、反応管８内の圧力を約４Ｔｏｒｒまで低下させる。これにより、ＳｉＣ多結晶からなる原料１５が昇華し、原料１５のガスが種結晶３０に到達して、図３に示すように、種結晶３０の表面（露出面）３０ｕ上に直径約２インチの４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶４０を成長させることができる。なお、図３においては、発明の理解を容易にするために種結晶３０の上方にＳｉＣ単結晶４０を位置させているが、実際は、図１から分かるように種結晶３０の下方にＳｉＣ単結晶４０が成長する。また、原料１５の代わりに、シラン、プロパン等のガスを供給するいわゆる化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてもよい。
ここで、図３を参照して、ＳｉＣ単結晶４０の成長過程を詳説する。通常、ＳｉＣ単結晶を成長させるに際して、＜０００１＞方向に延びるマイクロパイプや、＜０００１＞方向と垂直な面に広がる積層欠陥がＳｉＣ単結晶の内部に含まれることが多い。そして、多数のマイクロパイプや積層欠陥が表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、リーク電流等が発生するおそれがある。
ここで、本実施形態のように｛０３−３８｝面を露出させた種結晶３０を用いると、種結晶３０の表面３０ｕは、上述のように、マイクロパイプ４２（図中一点鎖線で示す）が延びる＜０００１＞方向に対して約３５°の傾きを有することになる。このため、ある程度ＳｉＣ単結晶４０を成長させると、マイクロパイプ４２はＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達し、マイクロパイプ４２が表面４０ｕに到達する事態を抑制することができる。また、種結晶３０の表面３０ｕは、積層欠陥４４（図中破線で示す）が広がる面、すなわち＜０００１＞方向と垂直な面に対して約５５°の傾きを有する。このため、ある程度ＳｉＣ単結晶４０を成長させると、積層欠陥４４はＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達し、積層欠陥４４が表面４０ｕに到達する事態を抑制することができる。
また、図４に示すように、種結晶３０の表面３０ｕを本実施形態のように｛０３−３８｝面とせず、この｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾けた面としても、同様に、成長させられたＳｉＣ単結晶４０の表面４０ｕにマイクロパイプ４２および積層欠陥４４が到達する事態を抑制することができる。さらに、オフ角αは５°以内であることが好ましく、より好適には、３°以内であることが好ましい。すなわち、種結晶の表面が｛０３−３８｝面に近くなるほど、ＳｉＣ単結晶４０の表面４０ｕにマイクロパイプ４２および積層欠陥４４が到達する事態を確実に抑制することができる。
また、本発明のＳｉＣ単結晶を用いて、各種の半導体デバイスを作製することができる。図５は、本発明のＳｉＣ単結晶を用いて作製した高耐圧ダイオード６０を示す断面図である。
ダイオード６０は、種結晶としてのｎ型ＳｉＣ基板３０と、ｎ型ＳｉＣ活性層４０と、ＳｉＣ活性層４０の上面に位置するショットキー電極１２と、ＳｉＣ基板３０の下面に位置するオーム性電極１４と、を備えている。また、ＳｉＣ基板３０及びＳｉＣ活性層４０は、単結晶の４Ｈ−ＳｉＣ｛０３−３８｝基板とされている。さらに、活性層４０の上部には、高抵抗ｐ型領域（ガードリング）１６が形成されている。
次に、このようなダイオード６０の製造方法を説明する。ＳｉＣ基板３０は、４Ｈ−ＳｉＣ（０００−１）種結晶上に改良レーリー法或いはＣＶＤ法によって成長したインゴットを成長方向に５４．７°傾けてスライスし、鏡面研磨することによって作製することができる。
そして、このＳｉＣ基板３０を種結晶として、ＣＶＤ法によって窒素ドープｎ型４Ｈ−ＳｉＣである活性層４０をエピタキシャル成長させる。活性層のドナー密度は約６×１０15ｃｍ-3、膜厚は約１６μｍとする。
このときの主な成長条件は、下記の通りである。ただし、窒素などのドーパント不純物の取り込み効率はＳｉＣ面方位に依存するので、デバイスを作製するときには、ＣＶＤ成長時の原料ガス流量およびドーパント原料供給量を、用いる面方位に応じて調整することが必要である。尚、以下の成長条件は一例であり、これに限定されるものではない。
活性層：SiH4流量 0.50sccm
C3H8流量 0.50sccm
N2流量 1x10-3〜4x10-3sccm
H2流量 3.0slm
基板温度 1520℃
成長時間 240分
さらに、このようにして作製した４Ｈ−ＳｉＣ（０−３３−８）基板を用いたＳｉＣ単結晶に、円形のショットキー電極５２及びオーム性電極５４を形成する。ショットキー電極５２は活性層３５の上面に形成し、オーム性電極５４はＳｉＣ基板３０の下面に形成する。また、ショットキー電極５２にはチタン（Ti：180nm）、裏面のオーム性電極５４には１０００℃で２０分間の熱処理を施したニッケル（Ni：200nm）を用いることができる。
そして、ショットキー電極５２端部での電界集中を緩和するために、ホウ素（Ｂ）イオンを注入して高抵抗ｐ型領域４６を形成し、ショットキーダイオード６０を完成させる。ホウ素イオンの注入は、例えば３０ｋｅＶ〜１２０ｋｅＶで、総ドーズ量を３×１０13ｃｍ-2とする。
また、ガードリングを形成するｐ型領域４６の幅を１００μｍ、このｐ型領域４６とショットキー電極５２の重なり部の幅を１０μｍとする。また、イオン注入は室温で行い、注入イオン活性化のための熱処理（アニール）は、例えばアルゴンガス雰囲気中１５５０℃、３０分の条件で行う。なお、これらの選択的イオン注入用マスクや電極金属のパターニングには、フォトリソグラフィ技術を用いることができる。
このようにして得られたダイオード６０は、上述のようにマイクロパイプ及び積層欠陥がＳｉＣ活性層４０の側面に到達し、ＳｉＣ活性層４０の表面には到達しないため、高品質になっている。また、４Ｈ−ＳｉＣ｛０３−３８｝面を用いることによって成長表面の平坦性がよくなり、ショットキー電極／ＳｉＣ界面での電界集中が低減されるという効果も得ることができる。
尚、ここでは本発明のＳｉＣ単結晶をショットキーダイオードに適用した例を述べたが、エピタキシャル成長あるいはイオン注入で形成されたｐｎ接合ダイオード、ｐｉｎダイオードやｐｎｐｎあるいはｎｐｎｐサイリスタの場合でも、４Ｈ−ＳｉＣ｛０３−３８｝基板を用いることが有効である。
［実施例］
本発明のＳｉＣ単結晶およびその成長方法について、実施例を参照してより具体的に説明する。
実施例１
実施例１では、種結晶３０として、（０３−３８）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２２５０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は１ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを８０ｍｍとした。
このようにして得られたＳｉＣ単結晶４０をラマン分光分析したところ、表面全体が４Ｈ型になっていることが判明した。さらに、ＳｉＣ単結晶４０のバルクを厚さ約３３０μｍのウエハ状にスライスした後、ダイヤモンド砥石によって研磨処理を施して、ウエハの表裏面を鏡面状にした。目視により、このＳｉＣ単結晶のウエハは、表面全体が均質であり、端部からの多結晶化や結晶の多形化は起こっていないことが分かった。さらに、溶融水酸化カリウムを用いてウエハにエッチング処理を施して評価したところ、ウエハの表面に、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
実施例２
実施例２では、種結晶３０として、（０３−３８）面から（０００１）面の方向に３°傾いた面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、実施例１と同様に、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
実施例３
実施例３では、種結晶３０として、（０３−３８）面から（０００１）面の方向に５°傾いた面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
実施例４
実施例４では、種結晶３０として、（０３−３８）面から（０００１）面の方向に１０°傾いた面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
比較例１
上記実施例と比較するために、種結晶として（０００１）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料の温度を約２３００℃にするとともに種結晶の温度を約２１７０℃にして、種結晶上に直径２インチのＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。このときの成長速度は０．６ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶の厚さを４８ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、積層欠陥は観察されなかったが、マイクロパイプが約３００個／ｃｍ2観察された。
比較例２
比較例２では、種結晶として（０−１０１）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料の温度を約２３００℃にするとともに種結晶の温度を約２１７０℃にして、種結晶上に直径２インチのＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプは観察されなかったが、積層欠陥が１０００個／ｃｍ2観察された。
比較例３
比較例３では、種結晶として（１１−２０）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料の温度を約２３００℃にするとともに種結晶の温度を約２１７０℃にして、種結晶上に直径２インチのＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。このときの成長速度は０．７ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを５６ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプは観察されなかったが、積層欠陥が５００個／ｃｍ2観察された。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置は、図１に示すものに限られず、この他種々のものを使用することができる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明のＳｉＣ単結晶は、表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が殆ど露出しておらず、また、本発明のＳｉＣ単結晶の成長方法によれば、ＳｉＣ単結晶の表面に露出するマイクロパイプおよび積層欠陥を低減させることができる。
本発明は、半導体電子部品に適したＳｉＣ単結晶およびその成長方法、特に、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶およびその成長方法に関するものである。
背景技術
近年、炭化珪素（ＳｉＣ）あるいは窒化ガリウム（ＧａＮ）等の軽元素で構成される化合物半導体の研究が盛んである。かかる化合物半導体は、軽元素で構成されているため結合エネルギーが強く、その結果、エネルギーの禁制帯幅（バンドギャップ）、絶縁破壊電界、熱伝導度が大きいことが特徴である。そして、特にＳｉＣは、このワイドバンドギャップの特徴を活かして、高効率・高耐圧パワーデバイス、高周波パワーデバイス、高温動作デバイス、あるいは青色から紫外発光デバイス用の材料として注目を集めている。しかしながら、結合エネルギーが強いため、ＳｉＣの化合物は、大気圧では高温にしても融解せず、シリコン（Ｓｉ）など他の半導体で用いられる融液の再結晶化によるバルク結晶の育成が困難である。
バルク状のＳｉＣ単結晶を成長させる方法としては、特公昭第５９−４８７９２号公報や特開平２−３０６９９号公報に掲載されたいわゆる改良型レーリー法が知られている。この改良型レーリー法は、黒鉛製のるつぼにＳｉＣ単結晶からなる種結晶を設置し、さらに減圧雰囲気下で原料ＳｉＣ粉末を昇華させて、種結晶上に目的規模のＳｉＣ単結晶を再結晶させるものである。
この改良型レーリー法をはじめとするいわゆる昇華法においては、その種結晶として、主として｛０００１｝面を露出させたＳｉＣ単結晶基板が使用されている。しかしながら、面方位が｛０００１｝であるＳｉＣ単結晶基板を用いてＳｉＣ単結晶を成長させる場合、マイクロパイプという＜０００１＞軸方向に延びる欠陥が単結晶の表面に到達するため、このＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、リーク電流等が発生する場合があった。
このマイクロパイプに関する問題を解消するための技術として、タイプ特許第２８０４８６０号公報に掲載されたＳｉＣ単結晶の成長方法が知られている。この方法は、種結晶として｛０００１｝面より６０°〜１２０°の角度αだけずれた結晶面を露出させたＳｉＣ単結晶を使用するものであり、より好ましくは、｛１−１００｝面や｛１１−２０｝面を露出させたＳｉＣ単結晶を使用するものである。このような種結晶を使用すれば、単結晶の表面に到達するマイクロパイプを減少させることができる。
発明の開示
しかしながら、特許第２８０４８６０号公報に掲載されたＳｉＣ単結晶の成長方法には、次のような問題があった。すなわち、同公報に記載された発明の発明者らがフィジカステイタスソリッド（ｂ）（２０２号１６３頁〜１７５頁１９９７年）において述べているように、｛１−１００｝面あるいは｛１１−２０｝面が露出したＳｉＣ単結晶を種結晶として使用する場合は、結晶多形の制御ができ、マイクロパイプの表面への到達を抑制できるものの、高密度の積層欠陥（スタッキングフォールト）がＳｉＣ単結晶の表面に露出するという問題があった。この積層欠陥は、結晶を成長させる際に面状に広がるものであり、かかる積層欠陥が表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、マイクロパイプが表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いる場合と同様に、リーク電流等が発生するおそれがある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、表面に露出するマイクロパイプおよび積層欠陥が低減されたＳｉＣ単結晶およびその成長方法を提供することを目的とする。
本発明は、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させる方法であって、｛０３−３８｝面、または｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾いた面、を露出させたＳｉＣ単結晶からなる種結晶上に、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする。
本発明に係るＳｉＣ単結晶の成長方法において、例えば｛０３−３８｝面を露出させた種結晶を用いれば、当該種結晶の露出面はマイクロパイプが延びる＜０００１＞方向に対して約３５°の傾きを有することになる。このため、このような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、マイクロパイプは当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面にマイクロパイプが到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面（｛０３−３８｝面）は、積層欠陥が広がる面、すなわち＜００１＞方向と垂直な面に対して約５５°の傾きを有するため、このような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、積層欠陥は当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面に積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面を｛０３−３８｝面とせず、この｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾けた面としても、同様に、成長させられたＳｉＣ単結晶の表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。
また、オフ角αは、５°以内であることが好ましい。さらに、オフ角αは、３°以内であることが好ましい。すなわち、種結晶の表面が｛０３−３８｝面に近くなるほど、表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が到達する事態を確実に抑制することができる。
また、化学気相堆積法によって、種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてもよい。
また、本発明に係る他のＳｉＣ単結晶の成長方法は、黒鉛製の坩堝内でＳｉＣ原料粉末を昇華させて、坩堝内に設置された種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を再結晶させるＳｉＣ単結晶の成長方法において、種結晶として、｛０３−３８｝面、または｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾いた面、を露出させたＳｉＣ単結晶を用いることを特徴とする。
このようなＳｉＣ単結晶の成長方法によれば、黒鉛製の坩堝内に設置する種結晶の露出面を例えば｛０３−３８｝面とすれば、当該種結晶の露出面はマイクロパイプが延びる＜０００１＞方向に対して約３５°の傾きを有することになる。このため、ＳｉＣ原料粉末を昇華させてこのような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、マイクロパイプは当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面にマイクロパイプが到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面（｛０３−３８｝面）は、積層欠陥が広がる面、すなわち＜０００１＞方向と垂直な面に対して約５５°の傾きを有するため、このような種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させれば、積層欠陥は当該ＳｉＣ単結晶の側面に到達し、表面に積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。また、種結晶の露出面を｛０３−３８｝面とせず、この｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾けた面としても、同様に、成長させられたＳｉＣ単結晶の表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が到達する事態を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明のＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置を示す断面図である。
図２は、ＳｉＣ単結晶の（０３−３８）面を説明するために用いた図である。
図３は、ＳｉＣ単結晶内のマイクロパイプおよび積層欠陥の状態を示す図である。
図４は、表面が｛０３−３８｝面からオフ角αだけ傾いた種結晶を示す図である。
図５は、ＳｉＣ単結晶を用いて作製した高耐圧ダイオードを示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して、本発明に係るＳｉＣ単結晶およびその成長方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。また、実施形態および実施例の説明で結晶の格子方向および格子面を使用する場合があるが、ここで、格子方向および格子面の記号の説明をしておく。個別方位は［］、集合方位は＜＞、個別面は（）、集合面は｛｝でそれぞれ示すことにする。また、負の指数については、結晶学上、”−”（バー）を数字の上に付けることになっているが、明細書作成の都合上、数字の前に負号を付けることにする。
図１は、本実施形態のＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置２を示す断面図である。結晶成長装置２は、主として、内部でＳｉＣ単結晶を成長させる黒鉛製の坩堝４と、坩堝４の熱が外部へ放射されるのを防止する熱シールド部材６と、この熱シールド部材６を包囲する水冷式の反応管８と、反応管８の周囲に巻回されるとともに坩堝４を加熱するための高周波コイル１０と、から構成されている。また、反応管８の頂上部には、アルゴンガスなどの不活性ガスを導入するためのガス導入管１２が介挿され、反応管８の底部には、不活性ガスを外部に排出するためのガス排出管１４が介挿されている。
坩堝４は、有底円筒形状をなしてＳｉＣ多結晶からなる原料１５を収容する収容部１６と、この収容部１６の上部開口を封止する蓋部１８と、蓋部１８に取り付けられるとともに種結晶３０が底面に固定された種結晶配置部２０と、を有する。ここで、本実施形態では、種結晶３０として、｛０３−３８｝面が露出した４Ｈ型ポリタイプ（“Ｈ”は六方晶系、“４”は原子積層が４層で一周期となる結晶構造を意味する）のＳｉＣ単結晶を用いる。
続いて、図２を参照して、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶の（０３−３８）面について説明する。同図に示すように、（０３−３８）面は、［０００１］方向に対して約３５°（３５．２６°）の傾きを有し、［０００１］方向と垂直な面に対して約５５°（５４．７４°）の傾きを有している。
次に、図１〜図４を参照して、ＳｉＣ単結晶の成長方法を説明する。
原料１５および種結晶３０を収容した坩堝４を反応管８内に設置した後、反応管８内を約１時間ほど真空排気し、次に、ガス導入管１２より不活性ガスを導入して反応管８内を常圧（７６０Ｔｏｒｒ）にする。そして、再び反応管８内を約１０分ほど真空排気した後、ガス導入管１２より不活性ガスを導入して反応管８内を再度常圧（７６０Ｔｏｒｒ）にする。
以上の作業が終了した後、高周波コイル１０によって坩堝４を加熱し始める。この際、坩堝４の温度を約２０００℃にするとともに、種結晶３０の温度が原料１５の温度よりも約５０℃だけ低くなるように温度勾配をつける。同時に、反応管８内の圧力を約４Ｔｏｒｒまで低下させる。これにより、ＳｉＣ多結晶からなる原料１５が昇華し、原料１５のガスが種結晶３０に到達して、図３に示すように、種結晶３０の表面（露出面）３０ｕ上に直径約２インチの４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶４０を成長させることができる。なお、図３においては、発明の理解を容易にするために種結晶３０の上方にＳｉＣ単結晶４０を位置させているが、実際は、図１から分かるように種結晶３０の下方にＳｉＣ単結晶４０が成長する。また、原料１５の代わりに、シラン、プロパン等のガスを供給するいわゆる化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させてもよい。
ここで、図３を参照して、ＳｉＣ単結晶４０の成長過程を詳説する。通常、ＳｉＣ単結晶を成長させるに際して、＜０００１＞方向に延びるマイクロパイプや、＜０００１＞方向と垂直な面に広がる積層欠陥がＳｉＣ単結晶の内部に含まれることが多い。そして、多数のマイクロパイプや積層欠陥が表面に露出したＳｉＣ単結晶を用いて素子を作製すると、リーク電流等が発生するおそれがある。
ここで、本実施形態のように｛０３−３８｝面を露出させた種結晶３０を用いると、種結晶３０の表面３０ｕは、上述のように、マイクロパイプ４２（図中一点鎖線で示す）が延びる＜０００１＞方向に対して約３５°の傾きを有することになる。このため、ある程度ＳｉＣ単結晶４０を成長させると、マイクロパイプ４２はＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達し、マイクロパイプ４２が表面４０ｕに到達する事態を抑制することができる。また、種結晶３０の表面３０ｕは、積層欠陥４４（図中破線で示す）が広がる面、すなわち＜０００１＞方向と垂直な面に対して約５５°の傾きを有する。このため、ある程度ＳｉＣ単結晶４０を成長させると、積層欠陥４４はＳｉＣ単結晶４０の側面４０ｓに到達し、積層欠陥４４が表面４０ｕに到達する事態を抑制することができる。
また、図４に示すように、種結晶３０の表面３０ｕを本実施形態のように｛０３−３８｝面とせず、この｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾けた面としても、同様に、成長させられたＳｉＣ単結晶４０の表面４０ｕにマイクロパイプ４２および積層欠陥４４が到達する事態を抑制することができる。さらに、オフ角αは５°以内であることが好ましく、より好適には、３°以内であることが好ましい。すなわち、種結晶の表面が｛０３−３８｝面に近くなるほど、ＳｉＣ単結晶４０の表面４０ｕにマイクロパイプ４２および積層欠陥４４が到達する事態を確実に抑制することができる。
また、本発明のＳｉＣ単結晶を用いて、各種の半導体デバイスを作製することができる。図５は、本発明のＳｉＣ単結晶を用いて作製した高耐圧ダイオード６０を示す断面図である。
ダイオード６０は、種結晶としてのｎ型ＳｉＣ基板３０と、ｎ型ＳｉＣ活性層４０と、ＳｉＣ活性層４０の上面に位置するショットキー電極１２と、ＳｉＣ基板３０の下面に位置するオーム性電極１４と、を備えている。また、ＳｉＣ基板３０及びＳｉＣ活性層４０は、単結晶の４Ｈ−ＳｉＣ｛０３−３８｝基板とされている。さらに、活性層４０の上部には、高抵抗ｐ型領域（ガードリング）１６が形成されている。
次に、このようなダイオード６０の製造方法を説明する。ＳｉＣ基板３０は、４Ｈ−ＳｉＣ（０００−１）種結晶上に改良レーリー法或いはＣＶＤ法によって成長したインゴットを成長方向に５４．７°傾けてスライスし、鏡面研磨することによって作製することができる。
そして、このＳｉＣ基板３０を種結晶として、ＣＶＤ法によって窒素ドープｎ型４Ｈ−ＳｉＣである活性層４０をエピタキシャル成長させる。活性層のドナー密度は約６×１０15ｃｍ-3、膜厚は約１６μｍとする。
このときの主な成長条件は、下記の通りである。ただし、窒素などのドーパント不純物の取り込み効率はＳｉＣ面方位に依存するので、デバイスを作製するときには、ＣＶＤ成長時の原料ガス流量およびドーパント原料供給量を、用いる面方位に応じて調整することが必要である。尚、以下の成長条件は一例であり、これに限定されるものではない。
活性層：SiH4流量 0.50sccm
C3H8流量 0.50sccm
N2流量 1x10-3〜4x10-3sccm
H2流量 3.0slm
基板温度 1520℃
成長時間 240分
さらに、このようにして作製した４Ｈ−ＳｉＣ（０−３３−８）基板を用いたＳｉＣ単結晶に、円形のショットキー電極５２及びオーム性電極５４を形成する。ショットキー電極５２は活性層３５の上面に形成し、オーム性電極５４はＳｉＣ基板３０の下面に形成する。また、ショットキー電極５２にはチタン（Ti：180nm）、裏面のオーム性電極５４には１０００℃で２０分間の熱処理を施したニッケル（Ni：200nm）を用いることができる。
そして、ショットキー電極５２端部での電界集中を緩和するために、ホウ素（Ｂ）イオンを注入して高抵抗ｐ型領域４６を形成し、ショットキーダイオード６０を完成させる。ホウ素イオンの注入は、例えば３０ｋｅＶ〜１２０ｋｅＶで、総ドーズ量を３×１０13ｃｍ-2とする。
また、ガードリングを形成するｐ型領域４６の幅を１００μｍ、このｐ型領域４６とショットキー電極５２の重なり部の幅を１０μｍとする。また、イオン注入は室温で行い、注入イオン活性化のための熱処理（アニール）は、例えばアルゴンガス雰囲気中１５５０℃、３０分の条件で行う。なお、これらの選択的イオン注入用マスクや電極金属のパターニングには、フォトリソグラフィ技術を用いることができる。
このようにして得られたダイオード６０は、上述のようにマイクロパイプ及び積層欠陥がＳｉＣ活性層４０の側面に到達し、ＳｉＣ活性層４０の表面には到達しないため、高品質になっている。また、４Ｈ−ＳｉＣ｛０３−３８｝面を用いることによって成長表面の平坦性がよくなり、ショットキー電極／ＳｉＣ界面での電界集中が低減されるという効果も得ることができる。
尚、ここでは本発明のＳｉＣ単結晶をショットキーダイオードに適用した例を述べたが、エピタキシャル成長あるいはイオン注入で形成されたｐｎ接合ダイオード、ｐｉｎダイオードやｐｎｐｎあるいはｎｐｎｐサイリスタの場合でも、４Ｈ−ＳｉＣ｛０３−３８｝基板を用いることが有効である。
［実施例］
本発明のＳｉＣ単結晶およびその成長方法について、実施例を参照してより具体的に説明する。
実施例１
実施例１では、種結晶３０として、（０３−３８）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２２５０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は１ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを８０ｍｍとした。
このようにして得られたＳｉＣ単結晶４０をラマン分光分析したところ、表面全体が４Ｈ型になっていることが判明した。さらに、ＳｉＣ単結晶４０のバルクを厚さ約３３０μｍのウエハ状にスライスした後、ダイヤモンド砥石によって研磨処理を施して、ウエハの表裏面を鏡面状にした。目視により、このＳｉＣ単結晶のウエハは、表面全体が均質であり、端部からの多結晶化や結晶の多形化は起こっていないことが分かった。さらに、溶融水酸化カリウムを用いてウエハにエッチング処理を施して評価したところ、ウエハの表面に、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
実施例２
実施例２では、種結晶３０として、（０３−３８）面から（０００１）面の方向に３°傾いた面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、実施例１と同様に、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
実施例３
実施例３では、種結晶３０として、（０３−３８）面から（０００１）面の方向に５°傾いた面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
実施例４
実施例４では、種結晶３０として、（０３−３８）面から（０００１）面の方向に１０°傾いた面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管８内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料１５の温度を約２３００℃にするとともに種結晶３０の温度を約２１７０℃にして、種結晶３０上に直径２インチのＳｉＣ単結晶４０をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶４０のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプおよび積層欠陥は観察されなかった。
比較例１
上記実施例と比較するために、種結晶として（０００１）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料の温度を約２３００℃にするとともに種結晶の温度を約２１７０℃にして、種結晶上に直径２インチのＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。このときの成長速度は０．６ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶の厚さを４８ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、積層欠陥は観察されなかったが、マイクロパイプが約３００個／ｃｍ2観察された。
比較例２
比較例２では、種結晶として（０−１０１）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料の温度を約２３００℃にするとともに種結晶の温度を約２１７０℃にして、種結晶上に直径２インチのＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。このときの成長速度は０．８ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを６４ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプは観察されなかったが、積層欠陥が１０００個／ｃｍ2観察された。
比較例３
比較例３では、種結晶として（１１−２０）面が露出した４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を使用した。そして、反応管内の圧力を４Ｔｏｒｒに保持し、原料の温度を約２３００℃にするとともに種結晶の温度を約２１７０℃にして、種結晶上に直径２インチのＳｉＣ単結晶をバルク成長させた。このときの成長速度は０．７ｍｍ／ｈで、ＳｉＣ単結晶４０の厚さを５６ｍｍとした。そして、ＳｉＣ単結晶のバルクをスライスしてウエハを作製し、このウエハにエッチング処理を施して評価したところ、マイクロパイプは観察されなかったが、積層欠陥が５００個／ｃｍ2観察された。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＳｉＣ単結晶を成長させるための結晶成長装置は、図１に示すものに限られず、この他種々のものを使用することができる。
産業上の利用可能性
以上説明したように、本発明のＳｉＣ単結晶は、表面にマイクロパイプおよび積層欠陥が殆ど露出しておらず、また、本発明のＳｉＣ単結晶の成長方法によれば、ＳｉＣ単結晶の表面に露出するマイクロパイプおよび積層欠陥を低減させることができる。
Claims (6)
- ４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させる方法であって、
｛０３−３８｝面、または｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾いた面、を露出させたＳｉＣ単結晶からなる種結晶上に、４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とするＳｉＣ単結晶の成長方法。 - 前記オフ角αは、５°以内であることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
- 前記オフ角αは、３°以内であることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
- 化学気相堆積法によって、前記種結晶上に前記ＳｉＣ単結晶を成長させることを特徴とする請求項１記載のＳｉＣ単結晶の成長方法。
- 黒鉛製の坩堝内でＳｉＣ原料粉末を昇華させて、前記坩堝内に設置された種結晶上に４Ｈ型ポリタイプのＳｉＣ単結晶を再結晶させるＳｉＣ単結晶の成長方法において、
前記種結晶として、｛０３−３８｝面、または｛０３−３８｝面に対して約１０°以内のオフ角αだけ傾いた面、を露出させたＳｉＣ単結晶を用いることを特徴とするＳｉＣ単結晶の成長方法。 - 請求項１〜請求項５のうち何れか一項記載のＳｉＣ単結晶の成長方法により成長させられたことを特徴とするＳｉＣ単結晶。
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